多关节机械手设计

1、多关节机械手设计摘 要在当今大规模制造业中，企业为提高生产效率，保障产品质量，普遍重视生产过程的自动化程度，工业机器人作为自动化生产线上的重要成员，逐渐被企业所认同并采用。工业机器人的技术水平和应用程度在一定程度上反映了一个国家工业自动化的水平，目前，工业机器人主要承担着焊接、喷涂、搬运以及堆垛等重复性并且劳动强度极大的工作，工作方式一般采取示教再现的方式。本文将设计一台四自由度的工业机器人，用于设备运送物料。首先，本文将设计机器人的底座、手臂和机械手的结构，然后选择合适的传动方式、驱动方式，搭建机器人的结构平台；在此基础上，本文将设计该机器人的控制系统。最终实现的目标包括：关节的伺服控制和制

2、动问题、实时监测机器人的各个关节的运动情况、机器人的示教编程和在线修改程序、设置参考点和回参考点。关键词：机器手臂；驱动装置；传动装置AbstractIn the modern large-scale manufacturing industry, enterprises to improve production efficiency, guarantee the product quality, the general importance of the production process automation, industrial robots as an important par

3、t of the automation production line, the company gradually recognized and used. Industrial robot technology and applications to some extent reflect the level of a country's level of industrial automation, at present, the industrial robot is mainly responsible for the welding, coating, handling a

4、nd stacking repetitive labor intensity and great work, work are normally taken to teaching and playback mode.In this paper, the design of a four DOF industrial robot, used for the transportation of materials to the stamping device. First of all, this paper will design a robot arm and the base, struc

5、ture of the manipulator, and then select the appropriate drive, driving mode, build the structure of robot platform; based on this, the paper design of the robot control system. The final goal of include: Joint servo control and brake problems, real-time monitoring the movement of each joint of robo

6、t, robot teaching programming and on-line modification program, setting a reference point and the reference point return.Key words: robot arm;driving device; transmission device目录1绪论 11.1背景及目的 11.2机械手概述 11.2.1机械手 21.2.2机械手分类 21.2.3国内外研究概况 31.2.4 机械手的发展趋势 31.3多关节机械手的研究 41.3.1指导思想 41.3.2研究任务 62机械手机械设计

7、 72.1总体设计方案 72.1.1 四自由度机械手系统设计 72.1.2整体结构设计 82.1.3主要零件设计原则 91 手臂的前后伸缩部分 92 手臂的上下升降部分 93 腰转部分 102.2机械手首部（末端执行器）的设计 102.2.1末端设计器设计要求 102.2.2手抓的设计 102.2.3驱动设计的选择 112.2.4机械手手部尺寸设计 122.3机械手腕部的设计 132.3.1腕部整体结构构思 132.3.2手腕的驱动力矩的计算 142.3.3手腕回转缸的尺寸及其校核 162.3.4滚动轴承的选择 182.4机械手臂的设计 212.4.1机械手臂设计的要求及计算 212.5臂部上

8、下升降部分设计 222.5.1电机的选择 222.5.2同步带传动的设计 222.6大臂转动关节设计 242.6.1大臂转动关节电机的选择 24本章小结 263 机械手设计说明 263.1机械手零部件材料选择 263.2机械手零件装备说明 273.3维护保养 28结论 30致谢 31参考文献 321绪论1.1背景及目的工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。工业机械手的是工业机器人的一个重要分支。它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的.l智能和适应性。机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济各领域有着广

9、阔的发展前景。机械手是在机械化，自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。在现代生产过程中，机械手被广泛的运用于自动生产线中，机械人的研制和生产已成为高技术邻域内，迅速发殿起来的一门新兴的技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动，不知疲劳，不怕危险，抓举重物的力量比人手力大的特点，因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用。机械手技术涉及到力学、机械学、电气液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。机械手是一种能自动化定位控制并可重新编程序

10、以变动的多功能机器，它有多个自由度，可用来搬运物体以完成在各个不同环境中工作。1.2机械手概述手是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。近年来，随着电子技术特别是电子计算机的广泛应用，机器人的研制和生产已成为高技术领域内迅速发展起来的一门新兴技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。主要由手部、运动机构和控制系统三大部分组成。手部是用来抓持工件(或工具的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。运动机构，使手部完成各种转动(摆动、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿

11、势。运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度 。为了抓取空间中任意位置和方位的物体，需有6个自由度。自由度是机 械手设计的关 键参数2。自由 度越多，机械手的灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂。一般专用机械手有23个自由度。1.2.1机械手机械手是一种能自动化定位控制并可以重新编程序以变动的多功能机器，它有多个自由度，可用来搬运物体已完成在各个不同环境中的工作，机械手的迅速发展是由于它的积极作用正日益为人们所认识。其一，他能部分代替工人操作;其二，它能按照生产工艺要求，遵循一定程序。时间和位置来完成工件的传送和装卸；其三，他能操作必要的机具进行焊接和装配。因此它能大大改

12、善工人的劳动条件、显著的提高劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。因为，受到各先进工业国家的重视，并投入了大量的物理和财力加以研究和应用。尤其在高温、高压、粉尘、噪音以及带有放射性和污染的场合，应用得更为广泛1.2.2机械手分类机械手一般分为三类。第一类是不需要人工操作的通用机械手，他是一种独立的不附属于某一主机的装置。它乐意根据任务的需要编辑程序，已完成各项规定工作。它的特点是除具备普通机械的物理性能外，还具备通用机械、记忆智能的三元机械。第二类是需要工人操作的，称为操作机。它源于原子、军事工业，先是通过操作机；来完成特定的作业，后来发展到用无线电信号操作机械手来进行探测月球、火

13、星、等。第三类是专用机械手，主要是附属于自动机床或自动线上，用于解决机床上下料和工件传送。这种机械手在国外称为“chanical hand”，它是为主机服务的，由主机驱动，除少数外，工作程序一般是固定的，因此是专用的。本项目是要求设计的机械手模型可归为第一类，即通用机械手。1.2.3国内外研究概况国外机器人的领域发展近几年有如下几个趋势：（1） 工业机器人性能不断提高，而单机价格不断下降，平均单机价格从91年的10.3万美元降至97年的65万美元。（2） 机械结构像模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机，减速机、监测系统三位一体化：由于节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机：国外已有

14、模块化的装配机器人产品问市。（3） 工业机器人控制系统向基于pc机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化；器件集成度高，控制柜日渐小巧，而且采用模块化结构：大大提高了系统的可靠性，易操作性和可维修性。（4） 机器人中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等创啊其外，装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制；多传感器融合配置技术在产品化系统中已有成熟使用（5） 虚拟现实级数在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用过程控制，例如使用遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。（6

15、） 当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自制系统，而致力于操作者与机器人的人机交互控制，即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控系统，使智能机器人走出实验室进入实用化阶段。美国发射到火星上的“索杰纳”机器人就是这种系统成功应用的最著名实例（7） 机器人化机械开始兴起，从94年1.2.4 机械手的发展趋势当前工业机器人技术的发展方向，主要体现在新型机器人的推出以及机器人应用技术的丰富和发展。在国内来说，还有机器人实际应用工作单元的设计技术标准化和技术成熟度。比如现已有越来越多的汽车巨头将其海外使用的各种汽车零部件转移至中国生产，就是因为我国的焊接机器人工作站设计水平不断提高。新型机器人应用量高速

16、增长的主要有洁净机器人以及双臂机器人等；应用技术的重点则主要有具有更加自适应性和复杂工艺能力的各种机器人控制技术、视觉图像处理机器人动作规划和轨迹补偿技术、远程监控和具有工艺水平的离线编程技术等。技术融合是未来发展的主趋势。控制技术的开放化发展、PC化和网络化发展，把机器人的应用拓展到更加广阔的领域。KUKA也一直是该应用的倡导者，早在1998年，KUKA就开发了基于PC技术和Windows操作环境的机器人控制系统，并随着PC和网络技术的迅速发展不断创新。1）伺服驱动的数字化和高度集成化、智能化技术。全数字化的实现，将原有的硬件伺服控制变成了软件伺服控制，从而使在伺服系统中应用现代控制理论的先

17、进算法成为可能。智能化的伺服系统具有参数自整定的功能自动将系统的参数整定出来，并自动实现其最优化。2）多传感器融合技术，通过融合多个传感器提供的冗余、互补或更实时的信息，可以获得系统所需的更准确和更精确的信息。多传感器融合技术的发展大力推动了移动机器人和遥操作机器人技术，这些机器人工作在动态、不确定的非结构化环境中，这些高度不确定的环境要求机器人具有高度的自治能力和对环境的感知能力，而多传感器数据融合技术正是提高机器人系统感知能力的有效方法。3）视觉系统、图像处理系统、人工智能、模式识别以及仿生技术等新技术的发展都将推动机器人技术的革新，使得工业机器人技术正在向智能机器和智能系统的方向发展。1

18、.3多关节机械手的研究1.3.1指导思想工业机械手的操作机是由手臂机构、手腕机构及末端执行器等组成的装置。对于要完成空间任意位姿进行作业的操作机需要具有6个自由度，而对于要回避障碍进行作业的操作机其自由度数则需超过6个。操作机机构的方案及其运动学设计是机器人设计的关键，本条将主要介绍操作机机构的结构设计的要点。1、操作机手臂机构的设计手臂机构具有3个自由度，可实现回转、俯仰、升降或伸缩三种运动形式。设计操作机手臂机构时，首先要确定操作机手臂机构的结构形式。通常，应根据其将完成的作业任务所需要的自由度数、运动形、承受的载荷和运动精度要求等因素来确定。其次是确定手臂机构的尺寸，手臂机构的尺寸应根据

19、机器人完成作业任务提出的工作空间尺寸要求来确定，定出其手臂的长度及手臂关节的转角范围。在确定操作机的结构形式及尺寸时，必须考虑到由于手臂关节的驱动是由驱动器和传动系统来完成的，因而手臂部件自身的重量较大，而且还要承受手腕、末端执行器和工件的重量，以及在运动中产生的动载荷；同时，要考虑到其对操作机手臂运动响应的速度、运动精度和刚度以及运动平稳性的影响等。2、操作机手腕机构的设计操作机的手腕机构用以实现末端执行器在作业空间中的三个姿态坐标，通常使末端执行器能实现回转运动、偏摆运动和俯仰运动。手腕自由度愈多，各关节的运动角范围愈大，其动作的灵活性愈高，机器人对作业的适应能力愈强。但增加手腕自由度，会

20、使手腕结构复杂，运动控制难度加大。因此，一般手腕机构的自由度为12个即能满足作业要求。通用性强的机器人手腕机构的自由度为3，而某些专业工业机器人的手腕机构则视作业实际需要可减少其自由度数，甚至可以不要手腕。在作手腕机构的运动设计时，要注意大、小手臂的关节转角对末端执行器的俯仰角均可能产生诱导运动。此外，手腕机构的设计还要注意减轻手臂的载荷，应力求手腕部件的结构紧凑，减小其重量和体积，以利于手腕驱动传动装置的布置，提高手腕动作的精确性和装配与调整的方便性。3、末端执行期的设计机器人的末端执行器是直接执行作业任务的装置。通常，末端执行器的结构和尺寸都是根据不同作业任务要求专门设计的，从而形成了多种

21、多样的结构型式。根据其用途和结构的不同可分为机械式夹持器、吸附式执行器、专用工具和仿生手四类。就工业机器人中应用的机械式夹持器形式而言，多为双指手爪式，按其手爪的运动方式又可分为平移型和回转型。回转型手爪又可分为单支点回转型和双支点回转型；按其夹持方式又可分为外夹式和内撑式。此外，按驱动方式则有电动、气动、液压和记忆合金驱动四种。设计末端执行器时，无论是夹持式或吸附式，都需要有足够的夹持力和所需要的夹持位置精度。用机械式单支点回转型夹持器来夹持工件时，由于所夹持工件的直径有变动时，将引起工件轴心的偏移量（成为夹持误差），故其夹持位置精度较低。为了改善夹持精度，可采用双支点回转型夹持器或采用平移

22、型夹持器。同样，在设计末端执行器时，应尽可能使其结构简单，紧凑、重量轻，以减轻手臂的负荷。工业机器人操作机手臂机构和手腕机构的驱动传动系统设计也是操作机机械设计的重要环节，传动系统的设计根据机器人完成作业任务的不同和驱动方式的不同而有很大区别。1.3.2研究任务本课题的主要任务是利用现有机械手的资料设计出具有四自由度的工业机器人结构，绘制出机械手的装配图和主要零件图并通过微机系统编程控制机械手实现以下的动作过程：（1）手臂升高；（2）手臂正向旋转；（3）手臂伸出；（4）手臂下降；（5）手爪夹紧；（6）手臂上升；（7）手臂反向旋转；（8）手臂回缩；（9）手臂下降；（10）在手爪松开工件后，开始下

23、一个循环。此外，在实物模型基础上，上位机监控系统采用组态软件，设计监控画面，通过串行通讯方式，实现对机械手运行过程及状态的跟踪监控，此部分内容由于作者水平有限，所设计的多关节机械手的后期仿真及实物试验未能呈现，敬请谅解。2机械手机械设计2.1总体设计方案2.1.1 四自由度机械手系统设计四自由度机械手系统由机械本体结构、关节伺服驱动系统、计算机控制系统、传感系统和通信接口等几部分组成。1、机械本体结构机械手的机械本体机构基本上有两大类：一类是操作型本体机构，它类似人的手臂和手腕，配上各种手爪和末端操作器后可进行各种抓取动作和作业操作。工业机器人主要采用这种本体结构。还有一类是移动型本体结构，主

24、要目的是实现移动功能。2、关节伺服驱动系统机械手本体机械结构的动作靠的是关节驱动，机器人的关节驱动大多是基于闭环控制的原理来进行的。伺服控制器的作用是计算主计算机给出的关节指令值与位置反馈单元送来的关节实际值之间的偏差，该偏差经过D/A（数模变换）和功放后，使驱动单元驱动关节并带动负载朝减小偏差的方向动作。常用的驱动单元是各种伺服电机，由于一般伺服电机的输出转速很高(1000r/min10000r/min，输出转矩小，而关节需带动的负载的转速不高，负载力矩却不小。因此，在电机与负载之间用一套传动装置来进行转速和转矩的匹配。3、计算机控制系统各关节伺服驱动的指令值由主计算机计算后在每个采样周期给

25、出。计算机通过轨迹规划，得到空间轨迹在各采样时刻的数据，通过逆运动学计算把空间数据转变为各关节的指令值。通常的机械手采用主计算机与关节计算机二级计算机控制。有时为了实现智能控制，还需对包括视觉在内的各种传感信号进行采集、处理并进行人工智能的模式识别、问题求解、任务规划、决策判断，这时须由三级计算机系统结构。4、感知系统与通信接口机器人要正常地进行工作，必须与周围环境保持密切的联系。除了关节伺服驱动系统中供反馈用的位置、速度、加速度的传感器（称为机械手的内部传感器），机械手还可配备视觉、力觉、触觉等多种类型的传感器（称为机械手的外部传感器），以及传感信号的采集处理系统。为了与周边设备及操作进行联

26、系与应答，还应有各种通信接口及人机通信装置，包括在语音合成和识别技术上实现人机对话以及各种多媒体系统。2.1.2整体结构设计1、机械手腰部为了满足旋转需要，设计成圆柱形，为了节省材料可考虑把空的地方省出，以实现空间尺寸小，工作范围大，结构简单。不足之处在于回转时需要克服较大的偏心力矩。2、手臂的上下升降运动将由电动机带动同步带传动。主要考虑到易于将脉冲信号作为控制信后，实现精确定位。3、手臂的伸缩运动将采用齿轮齿条传动，直流伺服电机提供动力，通过齿轮传递给齿条，实现把旋转运动变为直线运动；且齿轮齿条传动效率高、结构紧凑、工作可靠、寿命长。虽然驱动力不大，但运动机构的行程总是小于机构本身的长度。

27、综合起来，以上结构非常适合于本课题搬运物块。机械手的装配图2.1.3主要零件设计原则1、由于零件种类不同，设计方法也不同，但可按下列设计步骤进行。1）选择类型 根据使用条件、载荷大小及性质来选择；2）受力分析 通过受力分析求出作用在零件上的载荷，以便进行设计计算；3）选择材料 根据零件工作条件及受力情况选择合适材料，并确定计算中的应力；4）计算准则 根据失效分析，确定零件设计准则；5）理论计算 由设计准则所得到的实际或校核设计计算公式，确定出零件的主要几何尺寸及参数。2、机械零件的主要失效形式机械零件在规定期间内，在规定的条件下不能完成正常的功能称为失效。零件的常见失效形式有：1）整体断裂 零

28、件在截面上的应力大于材料的极限而引起的断裂；2）表面破坏 发生在零件表面，常见的形式有压溃、磨损、表面疲劳、胶合、腐蚀等；3）刚度不足 机械零件受载荷要产生变形，当弹性变形超过许用范围将使零件或机械不能正常工作；4）功能失效 机械零件不能完成规定的失效称为功能失效。各组件的主要设计方案手部：包括杠杆手指，单向作用式握紧油缸等。其工作原理：物体进入手指后，拉杆手油缸作用，通过拉杆带动杠杆手指回转，实现握紧或松开动作。1 手臂的前后伸缩部分手臂的前后伸缩部分由直线油缸带动实现。当直线油缸工作时通过活塞杆行程的变化，完成手臂的伸缩运动。2 手臂的上下升降部分手臂的上下升降部分是由电动机、传动带及传动

29、带轮等部分组成。当电动机工作时，通过联轴器转动带动减速器使传动带轮转动在通过传动带的转动使手臂架只能作上下运动。3 腰转部分腰转部分主要是通过电机的转动带动蜗轮蜗杆的转动致使转盘的转动，从而实现机械手的左右转动，2.2机械手首部（末端执行器）的设计2.2.1末端设计器设计要求末端执行器结构形式多样，但总的设计都有以下几点基本要求：1、应具有适当的夹紧力和驱动力，手指握力（夹紧力）大小要适宜，力量过大则动力消耗多，结构庞大，不经济，甚至会损坏抓取物体；力量过小则夹持不住或产生松动、脱落等现象。在确定握力时，除考虑抓取物体重量外，还应考虑传送或操作过程中所产生的惯性力和震动，以保证夹持安全可靠。2

30、、手指应具有一定的开闭范围，手应具有一定的开闭角度（手指从张开到闭合绕支点所转过的角度）或开闭范围（对平移型手指从张开到闭合的直线移动距离），以便于抓取或退出物体。3、应保证抓取物体在手指内的夹持精度，应保证每个被抓取的物体在手指内都有准确的相对位置。4、要求结构紧凑、重量轻、效率高，在保证自身刚度、强度的前提下，尽可能使结构紧凑、重量轻，以便于减轻手臂的负载。2.2.2手抓的设计不同的手指数量可以完成的动作以及动作复杂程度都不同，可以根据机械手必须完成的动作来确定机械手所需的最少手指数。一个手指能推、滚或滑动小物体，还可以用力操作开关等；两个手指除具有一个手指完成的功能外，它还能抓住物体并可

31、精确的控制物体的位置和取向；三个手指除了能完成两个手指可完成的功能外，它还有在手中反复抓握物体的功能，如将物体抛入空中并在新的位置抓住物体；多个手指则具有更大的灵活性，如可以抓住和操作多个物体。对于本文的移动机器人，其要求为本部分设计要求实现抓取负载为3 ，抓取工件直径为4080，只需能够抓住物体，控制物体的位置和取向，那么两个手指就能满足此工作要求，所以在结构上将采用两指结构。从而两手指相对于末端执行器在左右螺旋轴的带动下做平移运动，达到开合作用2.2.3驱动设计的选择1、机械中提供驱动的装置和方式很多，如电机驱动、液压驱动、气压驱动等，各种驱动方式有其自身的特点，有些机器人则同时采用多种驱

32、动方式，这都视不同机器人的特点和要求所定。比较这些驱动方式的特点，丛中选择适合机械手的驱动方式。电机驱动机械手可以避免电能变为压力能的中间环节，效率比液压和气压驱动要高。电机系统将电动机、测速机、编码器以及制动器组装在依次加工的课题里，使得整个电机系统体积小，可靠性和通用性也得到很大的提高。另外，电动机根据运行距离及电机的脉冲当量算出脉冲数，将数据输入计算机，可以达到非常高的位姿准确度。而液压和气压驱动系统组成机构烦琐，维护不方便，液压源和气压源装置体积大，对于操作机械手臂所要求的位置精度，液压和气压驱动也很难满足。由于液压传动系统的动作迅速，反应灵敏，阻力损失和泄漏较小，成本低廉因此本机械手

33、采用液压传动方式。2.2.4机械手手部尺寸设计手指对工件的夹紧力可按公式计算： 式中 安全系数，通常1.22.0；工作情况系数，主要考虑惯性力的影响。可近似按下式估其中a，重力方向的最大上升加速度；运载时工件最大上升速度系统达到最高速度的时间，一般选取0.030.5s方位系数，根据手指与工件位置不同进行选择。G被抓取工件所受重力（N）。计算：设a=28mm,b=60mm;机械手达到最高响应时间为0.01s，求夹紧力和驱动力和 驱动液压缸的尺寸。(1 设 根据公式，将已知条件带入：=1.510.539.8N =45.423N（2）根据驱动力公式得：（3）取机械手的抓取效率=÷=171.

34、77N（4）确定液压缸的直径D选取活塞杆直径d=0.5D,选择液压缸压力油工作压力 且P=39.2Pa, 由以上公式及数据可求得D0.00862m=8.62mm根据液压缸筒内径（缸径）尺寸系列（GB/T2348-93）则活塞杆内径为D=20mm d=10mm2.3机械手腕部的设计2.3.1腕部整体结构构思手腕是连接手部和手臂的部件，它的作用是调整或改变工件的方位，因而它具有独立的自由度，以使机械手适应复杂的动作要求。手腕自由度的选用与机械手的通用性、加工工艺要求、工件放置方位和定位精度等许多因素有关。由于本机械手抓取的工件是水平放置，同时考虑到通用性，因此给手腕设一绕x轴转动回转运动才可满足工

35、作的要求目前实现手腕回转运动的机构，应用最多的为回转油(气缸，因此我们选用回转液压缸。它的结构紧凑，但回转角度小于，并且要求严格的密封。2.3.2手腕的驱动力矩的计算手腕的回转、上下和左右摆动均为回转运动，驱动手腕回转时的驱动力矩必须克服手腕起动时所产生的惯性力矩，手腕的转动轴与支承孔处的摩擦阻力矩，动片与缸径、定片、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩以及由于转动件的中心与转动轴线不重合所产生的偏重力矩.图4-1所示为手腕受力的示意图。手腕转动时所需的驱动力矩可按下式计算: 式中: - 驱动手腕转动的驱动力矩(;- 惯性力矩(;- 参与转动的零部件的重量(包括工件、手部、手腕回转缸的动片对转动轴线所

36、产生的偏重力矩(.- 手腕回转缸的动片与定片、缸径、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩(;下面以图4-1所示的手腕受力情况，分析各阻力矩的计算:1、手腕加速运动时所产生的惯性力矩M悦若手腕起动过程按等加速运动，手腕转动时的角速度为，起动过程所用的时间为，则:span 式中:- 参与手腕转动的部件对转动轴线的转动惯量;- 工件对手腕转动轴线的转动惯量。若工件中心与转动轴线不重合，其转动惯量为:式中: - 工件对过重心轴线的转动惯量:- 工件的重量(N;- 工件的重心到转动轴线的偏心距(cm,- 手腕转动时的角速度(弧度/s;- 起动过程所需的时间(s; 起动过程所转过的角度(弧度。2、手腕转动件和工件

37、的偏重对转动轴线所产生的偏重力矩M偏 + (式中: - 手腕转动件的重量(N;- 手腕转动件的重心到转动轴线的偏心距(cm当工件的重心与手腕转动轴线重合时，则.3、手腕转动轴在轴颈处的摩擦阻力矩 (式中: ，- 转动轴的轴颈直径(cm;- 摩擦系数，对于滚动轴承，对于滑动轴承;,- 处的支承反力(N，可按手腕转动轴的受力分析求解，根据,得:同理，根据(F,得:式中:- 的重量(N, 如图4-1所示的长度尺寸(cm.4、转缸的动片与缸径、定片、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩M封，与选用的密衬装置的类型有关，应根据具体情况加以分析。回转液压缸的驱动力矩计算在机械手的手腕回转运动中所采用的回转缸是单叶

38、片回转液压缸，它的原理如图4-2所示，定片1与缸体2固连，动片3与回转轴5固连。动片封圈4把气腔分隔成两个.当压缩气体从孔a进入时，推动输出轴作逆时4回转，则低压腔的气从b孔排出。反之，输出轴作顺时针方向回转。单叶液压缸的压力P驱动力矩MCache的配置很灵活，官方提供的Cache配置方式有好几种。你可以通过声明配置、在  你可以将手腕回转缸的尺寸及其校核1.的配置从代码中剥离出来，也可以在使用运行时配置，所谓的运行时配置无非也就是在代码中配置。以下是运行时配置的好处：   液压缸长度设计为b=50mm,液压缸内径为=96mm,半径,轴径=26mm,半径

39、,Cache=，加速度时间=0.1s, 压强,ehcache.xml，如果没有请点击这里（1）测定参与手腕转动的部件的质量,分析部件的质量分布情况，CacheManager的实例，此方法会到classpath中找ehcache.xml文件，否则它会到类路径下找ehcache-failsafe.xml文件。而ehcache-failsafe.xml被包含在jar （的情况下使用Ehcache。工件的质量为,质量分布于长Ehcache会提醒用户创建一个正确的ehcache-failsafe.xml假如工件中心与转动轴线不重合，对于长的棒料来说，最大偏心距，其转动惯量为: （2）手腕转动件

40、和工件的偏重对转动轴线所产生的偏重力矩为M偏，考虑手腕转动件重心与转动轴线重合，夹持工件一端时工件重心偏离转动轴线,则： + （3）手腕转动轴在轴颈处的摩擦阻力矩为，对于滚动轴承，对于滑动轴承=0.1， ，为手腕转动轴的轴颈直径，, , ,为轴颈处的支承反力，粗略估计,4回转缸的动片与缸径、定片、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩M封，与选用的密衬装置的类型有关，应根据具体情况加以分析。在此处估计为的3倍，3 设计尺寸符合使用要求，安全。2.3.4滚动轴承的选择1）滚动轴承是支撑轴类的零件，一般是由内圈、外圈、滚动体和保持架组成。内圈装在轴颈上，外圈装在轴承座内，通常内圈随轴回转，外圈不旋转。滚动体

41、是滚动轴承的重要零件，其形状、数量和大小的不同对轴承的承载能力有很大的影响。滚动体的形状有球形、圆柱形、螺旋形、圆锥形、腰鼓形、滚针形等。滚动轴承的内、外圈及滚动体均用含铬轴承钢制造，工作表面经磨削和抛光，硬度不低于6065 HRC。内圈外表面和外圈内表面上制有供滚动体滚动的滚道。与滑动轴承相比，滚动轴承具有启动灵敏，运转时摩擦阻力小，效率高，润滑简便，易于互换等优点而应用广泛；其不足之处在于抗冲击能力差，工作时有噪声，工作寿命不及液体摩擦的滑动轴承。滚动轴承的类型、尺寸、公差级别已有国家标准，并实现了专业化生产。在一般的机械设计中，主要是根据具体工作条件正确地选择轴承的类型和尺寸以及进行轴承

42、组合的设计。通用的滚动轴承有深沟球轴承、调心轴承、圆柱滚子轴承、滚针轴承、角接触球轴承、圆锥滚子轴承、推力球轴承等几类。有时，为了适应一些特殊的需要，轴承会比上述结构减少或增多一些零件。比如为减小径向尺寸，可能无内圈或无外圈，或者既无内圈又无外圈。又如有的轴承带有防尘罩、密封圈，或者为安装、调试用的紧定套等。2）选择滚动轴承需考虑的因素轴承所受的载荷 轴承所承受载荷的大小、方向、性质是选择轴承的主要依据。如球轴承是点接触，适用于轻载或中载荷的情况，且主要承受径向载荷，又可承受不大的轴向载荷。轴承的转速 轴承手册中列出了各种轴承的极限转速，球轴承比滚子轴承有较高的极限转速，故应用可靠；若工作转速

43、超过所选轴承的极限转速时，可以通过提高轴承的公差等级，适当加大轴承的径向游隙以及改善润滑条件等途径来提高轴承的极限转速。安装和拆卸方便 在轴承座不是剖分式而必须沿轴向装拆以及需要频繁装拆轴承的机械中，应优先选用内、外圈可分离的轴承；当轴承在长轴上安装时，为便于装拆可选用带内锥孔和紧定套的轴承。经济性方面 一般来说，深沟球轴承价格最低，滚子轴承比球轴承价格高，向心接触轴承比径向接触轴承价格高。总之，选择轴承类型的总原则是，在满足工作性能的要求下，使使产品成本最低。由于本设计中要求承受径向载荷，且转速要求不高，为降低成本，支撑螺杆和轴的轴承选用6型的深沟球轴承。3）具体型号选择由于腕部轴径20mm

44、，表所以根据GB/T 2761994选取轴承代号为6204型，其相关数据见表2.5表2.5 6204型号深沟球轴承相关数据基本尺寸/基本额定载荷/kN极限转速/(r/min质量/kg其他尺寸/dDBCrC0r脂油WdDRmin2047149.886.1814000180000.099826411由表2.5可知基本额定载荷可承受至少50的重量，转速也足以满足要求，所以所选轴承不仅尺寸合格，价格最低，而且安全裕度大，无需再验证其使用寿命。6204型轴承的剖视图结构尺寸见图深沟球轴承结构尺寸图腕部共用到两处轴承，均采用脂润滑形式，用套筒承载，且用到一个透盖进行轴向定位。2.4机械手臂的设计2.4.1

45、机械手臂设计的要求及计算本部分设计要求实现伸缩范围300，升降行程200，运动速度100/s，大臂关节旋转180°，选转速度为90 º/s 。1、手臂部分是机械手的主要部件，它的作用是支承腕部和手部，并带动它们做空间运动。臂部运动的目的是把手部送到空间运动范围内的任意一点。如果改变手部的姿态（方位），则用腕部的自由度加以实现。臂部设计的基本要求有以下几点：（1）承载能力大、刚度好、自重轻；臂部通常即受弯曲（而且不是一个方向的弯曲），也受扭转，应选用抗弯和抗扭刚度较高的截面形状。所以臂部做成空心的，这可以减轻自重，也提高了刚性，其内部可以布置各种机构，这样就是结构紧凑、外型整

46、齐。（2）臂部运动速度要高，惯性要小；在一般情况下，手臂的移动要求匀速运动，但在手臂的启动和终止瞬间，运动是变化的，为了减少冲击，要求启动时间的加速度和终止前减速度不能太大，否则引起冲击和震动。（3）臂动作应灵活；（4）位置精度要高。本设计伸缩关节采用齿轮齿条传动，升降关节采用同步带传递动力，大臂旋转关节采用键联接实现转动。手臂的前后伸缩的设计同机械手的液压相同2.5臂部上下升降部分设计2.5.1电机的选择本部分通过起重机构的静功率计算公式确定电动机功率，起升机构电动机运行特点是：启动时惯性载荷较小，所需加速转矩小，只有满载稳定运行转矩的10%20%，而电动机的平均启动转矩通常为额定转矩的1.

47、61.8倍，使得启动时间短，约12 s 。因此起升机构电动机在运行中可忽略启动过程，认为电动机处于断续周期工作制。电动机的功率由起升静功率计算 （2.17）式中：G为起升载荷重力，单位为 N；v为额定起升速度，单位为m/s；为起升机构总效率，常取为0.85为保证强度足够，取G=1000 N，v=0.1 m/s代入式（2.17），得 W参考前后伸缩部分同样选用GZ13型无槽电枢直流伺服电动机，其技术数据见表2.7表2.7 GZ13型无槽电枢直流伺服电机技术数据额定功率kW额定转矩（N·m）额定转速（r/min）额定电流A额定电压VGD ²N·m0.41.273000

48、8.2600.0137由表2.7知其额定功率为400 W，满足要求。2.5.2同步带传动的设计同步带是以钢丝绳或玻璃纤维为强力层，外覆以聚氨脂或氯丁橡胶的环形带，带的内周制成齿状，使其与齿形带轮啮合。这种带传动传动比准确，对轴的作用力小，结构紧凑，耐油，耐磨性好，抗老化性能好，一般使用温度-2080 ºC，v50 m/s，P300 kW，i10，对于要求同步的传动也可用于低速传动。1）由电机的选择部分知P0.4 kW，则计算功率 （2.18）查机电液设计手册得同步带传动的工况系数Ka=1.8，代入式（2.18），得 kW选取L（轻型）标准同步带，它的齿形尺寸见表2.8表2.8 L型标

49、准同步带的齿形尺寸 节距 P齿形角 2齿根厚S齿高ht带高hs齿根圆角半径Rr齿顶圆角半径Ra9.52540°4.651.913.60.510.512）查得L型带轮最小齿数为12，取为z=17，则带轮节径由设计要求知带轮的工作带速v=0.1 m/s，根据 （2.19）得 r/min3）初定中心距a。=460，选用带长及齿数根据GB11616选用节线长Lp=914.4，带长上的齿数为96个，带长代号为360。采用中心距可调4）带轮啮合齿数5）基本额定功率 kW （2.20）式中：Fp 带的许用工作拉力 N；bs。为带型的基准宽度 ；m为的带单位长度的质量 /m0s。=25.4，代入式（

50、2.20），得 P。=24.4 W6）根据GB11616选取标准带宽bs=25.4，代号为1002.6大臂转动关节设计2.6.1大臂转动关节电机的选择臂部转动关节的角速度=90º/s=1.57 rad/s，所以转速 rad/s电机选择参考前后伸缩部分同样选用GZ13型无槽电枢直流伺服电动机，其技术数据见表2.10表2.10 GZ13型无槽电枢直流伺服电机技术数据额定功率kW额定转矩（N·m）额定转速（r/min）额定电流A额定电压VGD ²N·m0.41.2730008.2600.0137由于电机转速为3000 r/min，所以在电机和转动轴之间需配置减

51、速比为200的减速装置，参考腕部的设计，选取谐波齿轮减速器。为求转动关节结构简单，采用谐波减速器的外伸轴作为键连接装置来驱动腰部转动盘。根据GB/T 141181993，可得到普通谐波减速器的外形及安装尺寸，选取机型为100，标记为 XBZ 100200 A；它的外伸轴直径为24，长度为55，重量16，由于实际需要，制造尺寸为45×50。为确保整体的稳定性，转动部分的箱体尺寸应与小臂和手腕部尺寸协调，同时为减少摩擦，在转盘与底座支撑间安放4个球径为10的滚动体。本章小结本部分机械手结构设计共有4个自由度，可实现空间工作范围内任意位置的工件抓取，上下升降200，前后伸缩300，手腕、肩

52、关节采用转动结构，末端执行器采用开合式两指结构，采用步进电机、伺服电机进行控制，抓取负载3，适合作为生产流水线上的搬运工作。3 机械手设计说明3.1机械手零部件材料选择机械零件材料的选择是机械设计的一个重要问题，不同材料制造的零件不但机械性能不同，而且加工工艺和结构形状也有很大差别。机械零件常用的材料由黑色金属、有色金属、非金属材料和各种复杂的复合材料等。选择材料主要应考虑以下三方面的问题：1、使用要求 使用要求一般包括：零件的受载情况和工作状况；对零件尺寸和质量的限制；零件的重要程度等。若零件尺寸取决于强度，且尺寸和重量又受到某些限制，应选用强度较高的材料。静应力下工作的零件，应分布均匀的（

53、拉伸、压缩、剪切），应选用组织均匀，屈服极限较高的材料；应力分布不均匀的（弯曲、扭转）宜采用热处理后在应力较大部位具有较高强度的材料。在变应力工作的零件，应选用疲劳强度较高的材料。零件尺寸取决于接触强度的，应选用可以金星表面强化处理的材料，如：调质钢、渗碳钢、氮化钢。零件尺寸取决于刚度的，则应选用弹性模量较大的材料。碳素钢与合金钢的弹性模量相差很小，故选用优质合金钢对提高零件的刚度没有意义。截面积相同，改变零件的形状与结构可使刚度有较大提高。滑动摩擦下工作的零件应选用摩擦性能好的材料；在高温下工作的零件应选用耐热材料；在腐蚀介质中工作的零件应选用耐腐蚀材料等。2、工艺要求 大型零件且批量生产时

54、应用铸造毛坯，形状复杂的零件只有用毛坯才易制造，但铸造应选用铸造性能好的材料，如铸钢、灰铸铁或球铸铁等等。大型零件只少量生产，可用焊接件毛坯，但焊接件要考虑材料的可焊性和生产裂纹的倾向等，选用焊接性能好的材料。只有中小型零件采用锻造毛坯，大规模生产的锻件可用模锻，少量生产时可用自由锻。锻造毛坯主要考虑材料的延展性、热膨胀性和变形能力等，应选用锻造性能好的材料。3、经济性要求 经济性首先表现为材料的相对价格，当用价格低廉的材料能满足使用要求时，就不应该选用价格高的材料；当零件的质量不大而加工量很大，加工费用在零件总成本中要占很大的比例，这时，选择材料时所考虑的因素将不是相对价格而是其加工性能和加工费用；要充分考虑材料的利用率，例如采用无切削或少切削毛坯，可以提高材料的利用率。此外，在结构设计时也应该设法提高利用率；采用局部品质原则，在不同的部位上采用不同的材料或采用不同的热处理工艺，使各局部的要求分别得到满足；另外选择材料时应尽量考虑当地当时的材料供应情况，应尽能的减小同一部机器上使用的零件材料品种和